Коллектор впрыска — это система смесеобразования для двигателей внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. Он обычно используется в двигателях с искровым зажиганием , использующих в качестве топлива бензин , таких как двигатель Отто и двигатель Ванкеля . В двигателе с впрыском топлива топливо впрыскивается во впускной коллектор, где оно начинает образовывать с воздухом горючую топливовоздушную смесь. Как только впускной клапан открывается, поршень начинает всасывать еще образующуюся смесь. Обычно эта смесь относительно однородна и, по крайней мере, в серийных двигателях для легковых автомобилей, примерно стехиометрична ; это означает, что топливо и воздух равномерно распределяются по камере сгорания, и воздуха достаточно, но не больше, чем требуется для полного сгорания топлива. Момент впрыска и измерение количества топлива могут регулироваться как механически (от топливораспределителя), так и электронно (от блока управления двигателем ). С 1970-х и 1980-х годов система впрыска в коллектор заменяет карбюраторы в легковых автомобилях. Однако с конца 1990-х годов производители автомобилей начали использовать непосредственный впрыск бензина , что привело к сокращению количества установок впрыска в коллектор на новых автомобилях.
Существует два различных типа впрыска в коллектор:
В этой статье используются термины многоточечный ввод (MPI) и одноточечный ввод (SPI). В системе MPI имеется одна топливная форсунка на цилиндр, установленная очень близко к впускному клапану(ам). В системе SPI имеется только одна топливная форсунка, обычно устанавливаемая сразу за дроссельной заслонкой. Современные системы впрыска в коллектор обычно представляют собой системы MPI; Системы SPI сейчас считаются устаревшими.
В двигателе с впрыском топлива топливо впрыскивается под относительно низким давлением (70...1470 кПа) во впускной коллектор с образованием мелкодисперсных паров топлива. Этот пар может затем образовывать горючую смесь с воздухом, и смесь всасывается в цилиндр поршнем во время такта впуска. В двигателях Отто используется метод, называемый количественным контролем , для установки желаемого крутящего момента двигателя . Это означает, что количество смеси, всасываемой в двигатель, определяет величину производимого крутящего момента. Для регулирования количества смеси используется дроссельная заслонка , поэтому регулирование количества также называют дросселированием всасываемого воздуха. Дроссельирование всасываемого воздуха изменяет количество воздуха, всасываемого в двигатель, а это означает, что если требуется стехиометрическая ( ) воздушно-топливная смесь, количество впрыскиваемого топлива должно быть изменено вместе с дросселированием всасываемого воздуха. Для этого в системах впрыска в коллектор предусмотрен как минимум один способ измерения количества воздуха, всасываемого в данный момент в двигатель. В системах с механическим управлением и распределителем топлива используется поршень с вакуумным приводом, напрямую соединенный с рейкой управления, тогда как в системах впрыска в коллектор с электронным управлением обычно используются датчик расхода воздуха и лямбда-зонд . Только системы с электронным управлением могут формировать стехиометрическую топливовоздушную смесь достаточно точно, чтобы трехходовой катализатор работал достаточно, поэтому системы впрыска в коллектор с механическим управлением, такие как Bosch K-Jetronic, теперь считаются устаревшими. [1]
Как следует из названия, двигатель с одноточечным впрыском топлива (SPI) имеет только одну топливную форсунку. Обычно он устанавливается сразу за дроссельной заслонкой в корпусе дроссельной заслонки. Одноточечный впрыск был для автопроизводителей относительно дешевым способом снизить выбросы выхлопных газов в соответствии с ужесточающимися правилами, обеспечивая при этом лучшую «управляемость» (легкий запуск, плавность хода, отсутствие колебаний), чем можно было получить с помощью карбюратора. Многие из поддерживающих компонентов карбюратора, такие как воздухоочиститель, впускной коллектор и топливопровод, можно было использовать с небольшими изменениями или вообще без них. Это отложило затраты на модернизацию и оснастку этих компонентов. Однако одноточечный впрыск не позволяет формировать очень точные смеси, требуемые современными нормами выбросов, и поэтому считается устаревшей технологией в легковых автомобилях. [1] Одноточечный впрыск широко использовался в легковых автомобилях и легких грузовиках американского производства в 1980–1995 годах, а также в некоторых европейских автомобилях в начале и середине 1990-х годов.
Технология одноточечного впрыска известна с 1960-х годов, но долгое время считалась уступающей карбюраторам, поскольку требует наличия ТНВД и, следовательно, более сложна. [2] Только с появлением в 1980-х годах недорогих цифровых блоков управления двигателем ( ЭБУ ) одноточечный впрыск стал разумным вариантом для легковых автомобилей. Обычно применялись системы прерывистого впрыска с низким давлением впрыска (70...100 кПа), что позволяло использовать недорогие электрические ТНВД. [3] Очень распространенной системой одноточечного впрыска, используемой во многих легковых автомобилях, является Bosch Mono-Jetronic, которую немецкий автомобильный журналист Олаф фон Ферсен считает «комбинацией впрыска топлива и карбюратора». [4]
Система называлась «Впрыск дроссельной заслонки» или «Цифровой впрыск топлива» от General Motors , «Центральный впрыск топлива» от Ford , PGM-CARB от Honda и EGI от Mazda ).
В двигателе с многоточечным впрыском каждый цилиндр имеет свою собственную топливную форсунку, и топливные форсунки обычно устанавливаются в непосредственной близости от впускного клапана(ов). Таким образом, форсунки впрыскивают топливо через открытый впускной клапан в цилиндр, что не следует путать с непосредственным впрыском. В некоторых системах многоточечного впрыска вместо отдельных форсунок также используются трубки с тарельчатыми клапанами, питаемые от центрального инжектора. Однако обычно двигатель с многоточечным впрыском имеет одну топливную форсунку на цилиндр, электрический топливный насос, распределитель топлива, датчик расхода воздуха [5] и, в современных двигателях, блок управления двигателем . [6] Температура возле впускного клапана(ов) довольно высока, такт впуска вызывает завихрение впускного воздуха, и для образования топливовоздушной смеси требуется много времени. [7] Таким образом, топливо не требует значительного распыления. [2] Качество распыления зависит от давления впрыска. Это означает, что относительно низкое давление впрыска (по сравнению с непосредственным впрыском) достаточно для двигателей с многоточечным впрыском. Низкое давление впрыска приводит к низкой относительной скорости воздух-топливо, что приводит к образованию крупных и медленно испаряющихся капель топлива. [8] Следовательно, время впрыска должно быть точным, чтобы минимизировать несгоревшее топливо (и, следовательно, выбросы углеводородов). По этой причине системы непрерывного впрыска, такие как Bosch K-Jetronic, устарели. [1] Вместо этого в современных системах многоточечного впрыска используется прерывистый впрыск с электронным управлением. [6]
С 1992 по 1996 год General Motors внедрила систему под названием Central Port Injection или Central Port Injection. В системе используются трубки с тарельчатыми клапанами от центральной форсунки для распыления топлива через каждое впускное отверстие , а не через центральный корпус дроссельной заслонки . Давление топлива аналогично системе одноточечного впрыска. CPFI (использовался с 1992 по 1995 год) представляет собой систему периодического огня, а CSFI (с 1996 года) представляет собой последовательную систему. [9]
В двигателях с впрыском через коллектор существует три основных метода дозирования топлива и контроля момента впрыска.
В ранних двигателях с впрыском в коллектор и полностью механическими системами впрыска использовался ТНВД с шестеренчатым, цепным или ременным приводом и механической «аналоговой» картой двигателя. Это позволяло впрыскивать топливо прерывисто и относительно точно. Обычно такие ТНВД имеют трехмерный кулачок, на котором изображена карта двигателя. В зависимости от положения дроссельной заслонки трехмерный кулачок перемещается на своем валу в осевом направлении. На трехмерном кулачке движется роликовый механизм подбора, непосредственно связанный с рейкой управления ТНВД. В зависимости от положения трехмерного кулачка он толкает или выдвигает плунжеры ТНВД, приводимые в действие распределительным валом, которые контролируют как количество впрыскиваемого топлива, так и время впрыска. Плунжеры впрыска одновременно создают давление впрыска и действуют как распределители топлива. Обычно имеется дополнительный регулировочный стержень, соединенный с барометрической ячейкой, и термометр охлаждающей воды, чтобы можно было корректировать массу топлива в зависимости от давления воздуха и температуры воды. [10] Системы впрыска Kugelfischer также оснащены механическим центробежным датчиком частоты вращения коленчатого вала. [11] Системы многоточечного впрыска с механическим управлением использовались до 1970-х годов.
В системах без контроля момента впрыска топливо впрыскивается непрерывно, поэтому момент впрыска не требуется. Самым большим недостатком таких систем является то, что топливо впрыскивается и при закрытых впускных клапанах, но такие системы гораздо проще и дешевле, чем системы механического впрыска с картами двигателя на трехмерных кулачках. Необходимо определить только количество впрыскиваемого топлива, что можно сделать очень легко с помощью довольно простого распределителя топлива, который контролируется датчиком расхода воздуха с вакуумным приводом во впускном коллекторе. Топливораспределителю не требуется создавать какое-либо давление впрыска, поскольку топливный насос уже обеспечивает давление, достаточное для впрыска (до 500 кПа). Поэтому такие системы называются «безмоторными», и им не требуется привод цепью или ремнем, в отличие от систем с механическими ТНВД. Также не требуется блок управления двигателем. [12] Системы многоточечного впрыска без двигателя без контроля момента впрыска, такие как Bosch K-Jetronic, широко использовались с середины 1970-х до начала 1990-х годов в легковых автомобилях, хотя примеры существовали и раньше, например, Rochester Ramjet. предлагался на высокопроизводительных версиях малоблочного двигателя Chevrolet с 1957 по 1965 год.
Двигатели с коллекторным впрыском и электронным блоком управления двигателем часто называют двигателями с электронным впрыском топлива (EFI). Обычно двигатели EFI имеют схему двигателя, встроенную в дискретные электронные компоненты, такие как постоянное запоминающее устройство . Это и надежнее, и точнее, чем трехмерная камера. Схема управления двигателем использует карту двигателя, а также данные датчиков расхода воздуха, дроссельной заслонки, частоты вращения коленчатого вала и температуры всасываемого воздуха для определения количества впрыскиваемого топлива и момента впрыска. Обычно такие системы имеют одну топливную рампу под давлением и клапаны впрыска, которые открываются в соответствии с электрическим сигналом, посылаемым из схемы управления двигателем. Схема может быть полностью аналоговой или цифровой. Аналоговые системы, такие как Bendix Electrojector, были нишевыми системами и использовались с конца 1950-х до начала 1970-х годов; цифровые схемы стали доступны в конце 1970-х годов и с тех пор используются в электронных системах управления двигателем. Одним из первых широко распространённых цифровых блоков управления двигателем стал Bosch Motronic . [13]
Чтобы правильно смешать воздух и топливо и получить правильную воздушно-топливную смесь, системе управления впрыском необходимо знать, сколько воздуха всасывается в двигатель, чтобы она могла соответствующим образом определить, сколько топлива необходимо впрыскивать. В современных системах расходомер воздуха, встроенный в корпус дроссельной заслонки, измеряет массу воздуха и отправляет сигнал в блок управления двигателем, чтобы он мог рассчитать правильную массу топлива. В качестве альтернативы можно использовать датчик вакуума в коллекторе. Сигнал датчика вакуума в коллекторе, положение дроссельной заслонки и частота вращения коленчатого вала могут затем использоваться блоком управления двигателем для расчета правильного количества топлива. В современных двигателях используется комбинация всех этих систем. [5] Механические системы управления впрыском, а также системы без привода обычно имеют только датчик вакуума во впускном коллекторе (мембрану или сенсорную пластину), который механически соединен с рейкой впрыскивающего насоса или распределителем топлива. [14]
Двигатели с коллекторным впрыском могут использовать как непрерывный, так и прерывистый впрыск. В системе непрерывного впрыска топливо впрыскивается непрерывно, поэтому режимы работы отсутствуют. Однако в системах с прерывистым впрыском обычно имеется четыре различных режима работы. [15]
В системе одновременного прерывистого впрыска существует один фиксированный момент впрыска для всех цилиндров. Поэтому момент впрыска идеален лишь для некоторых цилиндров; всегда есть хотя бы один цилиндр, в который топливо впрыскивается через закрытый впускной клапан(ы). Это приводит к тому, что время испарения топлива различно для каждого цилиндра.
Системы с прерывистой группой впрыска работают аналогично системам одновременного впрыска, упомянутым ранее, за исключением того, что они имеют две или более группы одновременно впрыскивающих топливные форсунки. Обычно группа состоит из двух топливных форсунок. В двигателе с двумя группами топливных форсунок впрыск происходит через каждую половину оборота коленчатого вала, так что по крайней мере на некоторых участках схемы двигателя топливо не впрыскивается при закрытом впускном клапане. Это улучшение по сравнению с системой одновременного впрыска. Однако время испарения топлива по-прежнему различно для каждого цилиндра.
В системе последовательного впрыска каждая топливная форсунка имеет фиксированный, правильно установленный момент впрыска, синхронизированный с порядком зажигания свечей зажигания и открытием впускного клапана. Таким образом, топливо больше не впрыскивается при закрытых впускных клапанах.
Впрыск в конкретный цилиндр означает отсутствие ограничений по времени впрыска. Система управления впрыском может устанавливать время впрыска для каждого цилиндра индивидуально, при этом между форсунками каждого цилиндра нет фиксированной синхронизации. Это позволяет блоку управления впрыском впрыскивать топливо не только в соответствии с порядком зажигания и интервалами открытия впускных клапанов, но и корректировать неравномерность наполнения цилиндров. Недостатком этой системы является то, что она требует определения массы воздуха для конкретного цилиндра, что делает ее более сложной, чем система последовательного впрыска.
Первая система впрыска коллектора была разработана Йоханнесом Шпилем из Hallesche Maschinenfabrik. [16] Deutz начала серийное производство стационарных четырехтактных двигателей с коллекторным впрыском в 1898 году. Грейд построил первый двухтактный двигатель с коллекторным впрыском в 1906 году; В том же году Райт и Антуанетта построили первые серийные четырехтактные авиационные двигатели с впрыском коллектора ( Antoinette 8V ). [17] В 1912 году компания Bosch оснастила двигатель гидроцикла импровизированным ТНВД, построенным на основе масляного насоса, но эта система не оказалась надежной. В 1920-х годах они попытались использовать ТНВД дизельного двигателя в бензиновом двигателе Отто. Однако они не увенчались успехом. В 1930 году компания Moto Guzzi построила первый двигатель Отто с впрыском через коллектор для мотоциклов, который в конечном итоге стал первым двигателем для наземных транспортных средств с впрыском через коллектор. [18] С 1930-х по 1950-е годы системы впрыска коллектора не использовались в легковых автомобилях, несмотря на то, что такие системы существовали. Это произошло потому, что карбюратор оказался более простой и менее дорогой, но достаточной системой смесеобразования, пока не нуждавшейся в замене. [14]
Примерно в В 1950 году компания Daimler-Benz начала разработку системы непосредственного впрыска бензина для своих спортивных автомобилей Mercedes-Benz. Однако для легковых автомобилей более целесообразной была признана система впрыска с коллектором. [14] В конце концов, легковые автомобили Mercedes-Benz W 128 , W 113 , W 189 и W 112 были оснащены двигателями Отто с впрыском через коллектор. [19] [20]
С 1951 по 1956 год компания FAG Kugelfischer Georg Schäfer & Co. разрабатывала механическую систему впрыска Kugelfischer. [18] Он использовался во многих легковых автомобилях, таких как Peugeot 404 (1962), Lancia Flavia iniezione (1965), BMW E10 (1969), Ford Capri RS 2600 (1970), BMW E12 (1973), BMW E20 ( 1973 г.) и BMW E26 (1978 г.). [21]
В 1957 году корпорация Bendix представила Bendix Electrojector , одну из первых систем впрыска коллектора с электронным управлением. [22] Компания Bosch создала эту систему по лицензии и продавала ее с 1967 года как D-Jetronic . [21] В 1973 году компания Bosch представила свои первые системы многоточечного впрыска собственной разработки: электронную систему L-Jetronic и механическую систему K-Jetronic без привода . [23] Их полностью цифровая система Motronic была представлена в 1979 году. Она нашла широкое применение в немецких роскошных седанах. В то же время большинство американских автопроизводителей придерживались электронных систем одноточечного впрыска. [24] В середине 1980-х годов компания Bosch модернизировала свои системы многоточечного впрыска, не относящиеся к Motronic, с помощью цифровых блоков управления двигателем, создав KE-Jetronic и LH-Jetronic. [23] Volkswagen разработал цифровую систему впрыска «Digijet» для своих двигателей с водяным охлаждением «Wasserboxer» , которая в 1985 году превратилась в систему Volkswagen Digifant. [4]
Дешевые системы одноточечного впрыска, работающие как с двухходовыми, так и с трехходовыми каталитическим нейтрализаторами, такие как Mono-Jetronic , представленная в 1987 году, [23] позволили автопроизводителям экономически предлагать альтернативу карбюраторам даже в своих автомобилях эконом-класса, которые способствовал широкому распространению систем впрыска коллектора во всех сегментах рынка легковых автомобилей в 1990-е годы. [25] В 1995 году компания Mitsubishi представила первый бензиновый двигатель Отто с непосредственным впрыском топлива для легковых автомобилей, и с тех пор непосредственный впрыск бензина заменяет впрыск в коллектор, но не во всех сегментах рынка; В некоторых недавно выпущенных двигателях легковых автомобилей до сих пор используется многоточечный впрыск. [26]
